雾、轻雾与霾区分的概念模型与经验公式

雾、轻雾与霾区分的概念模型与经验公式Fog、mist and haze to distinguish between the conceptual modeland empirical formula燕建军民航华北空管局北京气象中心，100621摘要：为了使气象观测预报人员在实际工作中能够合理、准确的区分雾、轻雾与霾，最大限度的为用户提供高质量的气象服务。

本文在学习和分析雾、轻雾与霾的组成、特点、标准及变化趋势的基础上，改进原有的概念模型和经验公式，重新建立了雾、轻雾与霾区分的概念模型和经验公式。

而且，实际天气过程的检验效果十分理想，为今后气象观测预报人员区分雾、轻雾与霾提供了很好的借鉴和参考。

关键词：霾气溶胶概念模型经验公式1引言轻雾是指空气层中悬浮着微小水滴或吸湿性潮湿粒子，使地面水平能见度在1-10km的天气现象。

雾是指近地面的空气层中悬浮着大量微小水滴（或冰晶），使水平能见度降到1km 以下的天气现象。

霾是指悬浮在空中肉眼无法分辨的大量微粒，使水平能见度小于10km的天气现象。

[1][2][3][4][5][6]它们虽然都是漂浮在大气中的微小粒子，都能使能见度恶化从而形成灾害性天气，但其组成成分和形成过程以及对人们的危害是完全不同的。

随着近年来对大气气溶胶物理化学性质的深入了解和有关部门拓展气象服务的需要，在观测预报业务上越来越需要明确的区分轻雾、雾与霾现象。

2雾霾的发展趋势雾、轻雾、霾现象是近年来影响我国中东部大气能见度最主要的天气现象，对人们的生产生活特别是航空运输有着非常重大的影响。

在对北京首都国际机场2000年至2013年的气象观测数据统计中也证实，雾、轻雾和霾现象在人们现在生活中的出现频率非常高，特别是霾，有明显逐年增加的趋势。

见表1首都国际机场2007年1月至2013年12月视程障碍天气日数统计表。

表1 首都国际机场2007年1月至2013年12月视程障碍天气日数统计表年份HZ（天）BR（天）FG（天）DU（天）FU（天）SA（天）2000 1 180 24 16 209 202001 1 202 18 20 174 202002 0 183 20 20 173 182003 1 212 27 4 183 12004 1 193 21 10 173 112005 61 175 20 17 144 182006 74 188 27 23 161 212007 156 190 18 6 80 72008 157 194 7 6 50 92009 195 181 9 4 9 62010 175 199 8 13 19 122011 162 185 13 8 27 92012 194 192 15 9 13 52013 215 183 19 2 1 33雾、轻雾与霾的特征和标准3.1易于混淆的视程障碍现象根据中国气象局和民航地面气象观测规范的定义，影响视程的天气现象主要有轻雾、雾、霾、烟、浮尘、扬沙、沙暴、尘暴和尘卷风、吹雪等。

根据定义，其中的大多数并不难区分，容易混淆并有一定区分难度的是轻雾、雾与霾。

由于它们之间既能相互转变，又有彼此共存，多年来，准确的识别和区分轻雾、雾与霾一直是气象观测工作的难点。

随着近年来霾现象日趋严重，极大的影响了人们的生产生活品质，因此合理准确的区分雾、轻雾与霾，在目前显得尤为重要。

3.2轻雾、雾与霾的定义和特征一般雾的厚度比较小，常见的辐射雾的厚度大约在几十米到一二百米左右，日变化明显。

雾和云一样，与晴空区之间有明显的边界，雾滴浓度分布不均匀，因而在雾中能见度有比较大的起伏。

雾滴的尺度比较大，从几微米到100微米，大多集中在4-30微米之间，肉眼可以看到空中飘浮的雾滴，因而有飘动感。

由于液态水或冰晶组成的雾散射的光与波长关系不大，因而雾看起来呈乳白色或青白色（散射全色光）。

[7][8][9]霾是悬浮在大气中的大量微小尘粒、烟粒、或盐粒的集合体，组成霾的粒子极小，在0.001-10微米之间，不能用肉眼分辩。

霾粒子分布均匀，可以出现在空中任何高度，且日变化不明显。

[10][11]远山、森林等深色物体呈浅蓝色；太阳、雪山等光亮物体呈黄色或桔黄色。

[12][2]轻雾是能见度在1-10公里时，由空气层中悬浮着微小水滴或吸湿性潮湿粒子构成。

与霾相比，相对湿度较大，与雾相比，能见度较高。

[2]3.3水溶性气溶胶的相变特性大气中可能存在的吸湿性气溶胶主要有氯化钠、氯化铵、硫酸铵硫酸钠等。

而实际上，大气中0.1μm以下的水溶性粒子主要是硫酸铵组成的，大于1μm的粒子主要是氯化钠组成的。

它们的相变湿度如下表所示[13]。

表2 水溶性气溶胶的相变湿度气溶胶氯化钠氯化铵硫酸铵硫酸钠相变湿度（%） 78 80 81 93根据上述水溶性气溶胶的相变湿度值可知，当有吸湿性粒子存在时，相对湿度低于100%也可以形成轻雾，考虑到仪器导致的误差1-8%[14]，轻雾的相对湿度应至少大于70-77%。

但此时的粒子还不能算是雾滴，要形成雾滴，要有像凌晨辐射降温那样的过程，使液态水析出才行[13]。

根据吴兑等2007年在南岭山地雾综合观测试验，出现雾时，最小相对湿度为91%[15]。

3.4相关建议参考在不同历史时期，WMO曾经给出过的区别雾、霾建议中，有使用相对湿度作为辅助判据的。

如在WMO1984年和1996年的报告中，建议霾的相对湿度大约低于80%；而对于轻雾，在2005年的报告中建议相对湿度大于95%（以上建议只是在能见度1-5KM之间适用）[13]。

在中国民航气象2012版《地面气象观测规范》中，建议轻雾的相对湿度通常在75%以上[2]。

3.5目前区分方法中的不足从3.4中可以看出，不同历史时期和不同气象机构给出的标准是不同的。

这些差异充分体现了长期以来对组成霾的气溶胶粒子的认识及相关知识的积累过程。

在上面的建议中都是把相对湿度值作为了单一的标尺，没有充分考虑到大气气溶胶的物理化学性质、曲率大小、颗粒形状及粒子浓度等对能见度的影响，也没有充分考虑到天气现象在一定条件下具有连续的特征。

单从3.3的试验结果看，建议轻雾的相对湿度至少要大于75%，雾的相对湿度至少要大于95%是有一定理论基础的。

但在实际观测工作中就会出现一些常见的弊端和不足，使得观测结果虽然从表面看并不违反现有规范的规定，甚至是合理的，但往往不符合实际的天气发展规律。

比如在民航规范中的规定是轻雾的相对湿度通常在75%以上[2]。

根据这条规定，观测员在实际值班中就会认为只要能见度大于等于1000米，相对湿度在75%以上就可以报轻雾，不管能见度是1000米还是9000米。

这样，就会造成能见度已经下降到1000米时，相对湿度76%还在报轻雾，而当能见度继续下降到1000米以下时，虽然湿度为76%甚至80%，却要把天气现象转为霾。

因为此时如果报雾，相对湿度太低，如果报轻雾则能见度不符合规定的标准。

正是由于有了这条规定性建议，人为使得本来连续的现象变得不连续了，给错误的观测结果提供了合法的依据。

在自然界中，雾更多的时候是和轻雾联系在一起，由轻雾逐步发展而来，甚至在很多专业书籍里它们的定义都是一个，只是影响能见度的程度不同而已。

正常情况下，夜晚辐射冷却进一步加强，轻雾粒子继续吸湿增长，使能见度下降的结果应该是雾才符合天气系统的发展的规律。

除非引起能见度下降的原因是由于突然有大量较干的霾粒子加入，但如果突然有大量新粒子加入，在水汽含量跟不上的情况下会使相对湿度也随之下降。

例如2014年2月11日凌晨，当时天空无云，受3秒/米的偏东北风影响，0:30分以后，首都机场地区空中污染物增多，能见度快速从10公里下降到6公里。

本来夜间微风无云应该是辐射降温使相对湿度增加的，但1点钟的相对湿度却从67%下降到62%，就是典型的东北方向顺义生活区污染物大量移入本场，吸收了空气中的水汽，使能见度和相对湿度同时下降的情况。

2014年2月15日也是这种情况，早晨6-7点钟，由于首都机场的偏东北风，带来了大量当地居民冬季取暖产生的干霾粒子，使能见度下降的同时，相对湿度也明显下降。

4雾霾区分方法的改进与拓展4.1概念模型的改进雾霾概念模型是指为了方便记忆和理解，将雾、轻雾和霾区分的建议标准直观的体现在二维坐标系中的方法。

目前使用的概念模型有霾与雾区分的概念模型（吴兑，2005）（如图1所示）[7][13]；广东省气象局观测霾、轻雾与雾的标准（2006）（如图2所示）[13]和首都机在图1[6][13]中，吴兑认为相对湿度小于80%大于50%时为干霾；相对湿度大于80%小于95%时为湿霾；相对湿度大于95%且能见度大于等于1000米时为轻雾，小于1000米时为雾。

在这个模型中，主要体现的是相对湿度一定要在空气湿度达到饱和状态时才能出现雾或轻雾，而现在轻雾的定义中明确了吸湿性粒子的成分，因此该模型与现有定义存在一定差异。

在图2[13]中，广东省气象局规定，当相对湿度小于80%时为霾；相对湿度在80%-95%之间时，如果能见度大于等于1000米为霾或轻雾，如果能见度小于1000米为霾或雾；当相对湿度大于95%时，如果能见度大于等于1000米为轻雾，如果能见度小于1000米为雾。

在广东省气象局规定中，相对湿度在80%-95%之间时，主要还是靠人工去区分，标准过于粗狂。

在图3[14]中，燕建军认为相对湿度小于60%时为霾；相对湿度在60%-90%之间时，以能见度1公里为步长，沿能见度下降和相对湿度增加的方向做阶梯状划分，阶梯线左边为霾，右边为轻雾；当相对湿度大于90%时，如果能见度大于等于1000米为轻雾，小于1000米为雾。

在这个模型中，虽然体现了随相对湿度的增加，雾霾粒子增大，能见度下降的理念，但起始相对湿度值定得偏小，且划分湿度间隔大，也有一定的缺陷。

为了能够更加合理的区分和判断轻雾、雾与霾，本文参照原霾与雾区分的概念模型（吴兑，2005）、广东省气象局观测霾、轻雾与雾的标准（2006）和首都机场雾霾概念模型（燕建军，2010）。

通过理论分析，结合实际工作，将能见度小于10公里且相对湿度在70%-90%之间的区间，同时综合能见度和相对湿度两个因素再次进行划分，以弥补原有建议和标准中的不足，如图4所示。

将图4中多余的线段去掉，得到图5。

在这个模型中，横坐标是相对湿度，纵坐标是能见度。

当相对湿度大于90%且能见度小于1000米时为雾；当相对湿度大于90%且能见度大于1000米小于10公里时为轻雾；当相对湿度小于90%且能见度小于1000米时为霾；当相对湿度小于70%且能见度在10公里至1000米之间时为霾；当相对湿度小于90%大于70%且能见度在10公里至1000米时，对角线左边为霾，右边为轻雾。

4.2 用经验公式区分雾、轻雾与霾由于实际的能见度和相对湿度都是随时变化的，概念模型中虽然从框架上已经很清晰的把三种现象做了区分，但并不能直观的体现实际变化的具体数值。